CN101896829A - 传感器盒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于有区别地确定流体样本中至少两种不同的目标基团(moiety)的传感器盒(10)。该传感器盒(10)包括反应室(1)和彼此不同的至少第一和第二区域(2，3)。第一区域(2)包括标记有(label)用于特别地结合(bind)第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象(object)(4a)，并且第二区域(3)包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象(4b)，第一和第二区域(2，3)中的磁性或可磁化对象(4a，4b)可被样本流体直接接触。本发明还提供一种用于制造这种传感器设备(10)的方法和一种用于使用这种传感器盒(10)来确定样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及传感器盒(sensor cartridge)，例如可替换的或可置换的盒(cartridge)。更具体地，本发明涉及能够有区别地检测样本流体中至少两种不同目标基团(target moiety)的传感器盒。本发明还涉及一种用于制造这种传感器盒的方法和一种用于确定样本流体中至少两种目标基团的存在和/或量的方法。根据本发明的实施例的设备和方法可以用在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中。
背景技术
现今，基于AMR(各向异性的磁阻)、GMR(巨磁阻)和TMR(隧道磁阻)元件或基于霍尔传感器的磁性传感器变得日益重要。除了已知的高速应用(比如磁性硬盘头和MRAM)，新的相对较低带宽应用出现在分子诊断(MDx)、IC中电流感测、汽车等领域中。
包括这种磁性传感器的微阵列或生物芯片的引入使得生物分子(比如DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质)的分析产生了革命性的变化。应用是例如人类基因分型(例如在医院中或通过个别的医生或护士)、细菌筛选(screening)、生物学和药理学研究。这种磁性生物芯片在灵敏性、特异性、集成性方面对于例如生物或化学样本分析具有很有前途的属性，易于使用且减低了成本。
生物芯片(也被称为生物传感器芯片、生物微芯片、基因芯片或DNA芯片)以它们最简单的衬底形式存在于芯片上界限分明的区域上，在所述衬底上附着有大量的不同探针分子(probe molecule)，如果待分析的分子或分子片段(fragment)与所述探针分子完美匹配，它们可以结合。例如，DNA分子的片段结合到一个唯一的互补DNA(c-DNA)分子片段。在将待分析的分子结合到探针分子之前或之后，可以例如通过使用耦合到这些分子的标记器(marker)(例如荧光标记器或磁性标签)来检测结合反应的发生。这提供了在短时间内并行地分析大量不同分子或分子片段中的少量不同分子或分子片段的能力。
在生物传感器中，进行化验(assay)。化验一般包括若干流体驱动步骤，即其中使得材料开始移动的步骤。这样的步骤的实例是混合(例如用于稀释、或用于将标签或其他试剂溶解到样本流体中、或用于标记、或用于亲和性结合)或更新靠近反应面的流体，以便避免对于该反应而言扩散的速率受到限制。优选地，该驱动方法应当是有效的、可靠的和廉价的。
一个生物芯片可以针对1000个或更多不同分子片段进行化验。据预期，作为例如人类基因组计划的项目和在基因和蛋白质的功能方面的跟踪研究的结果，在即将到来的十年，可以从生物芯片的使用获得的信息的用处将迅速增加。
由基于例如超顺磁性珠的检测的(例如100个)传感器阵列构成的生物传感器可以用于同时测量溶液(例如血液)中大量不同生物分子(例如，蛋白质、DNA)的浓度。这可以通过将超顺磁性珠附着到将要被确定的目标分子、利用所施加的磁场磁化该珠并且使用例如巨磁阻(GMR)传感器检测被磁化的珠的磁场来实现。
图9示出了本领域当前已知的、具有集成磁场激发的磁阻生物传感器配置的工作原理。该磁性生物传感器包括单个GMR条21，其长度为大约100μm且宽度为大约3μm。具有集成磁场激发意味着：磁场生成装置被集成在磁阻传感器20中。而且，磁阻传感器20包括电流导线22，其形成磁场生成装置。在磁阻传感器20的表面23处，提供了结合位置24，例如其上附着有磁性纳米粒子26的目标分子25能够结合(bind)。流过电流导线22的电流生成磁场29，其将磁性纳米粒子26磁化。该磁性纳米粒子26产生磁矩m。随后，该磁矩m生成偶极磁场，在图9中由场线27来指示，其在GMR条21的位置处具有面内磁场分量28。因此，磁性纳米粒子26使由流过电流导线22的电流诱导(induce)的磁场29偏转，从而在GMR条21的敏感的x-方向(在图9中由附图标记28来指示)产生磁场分量，该分量也被称为磁场Hext的x-分量。随后，磁场Hext的x-分量被GMR条21感测，并且依赖于磁阻传感器20的表面23处存在的磁性纳米粒子26的数量Nnp且依赖于电流导线22中电流大小。磁阻传感器20可以在包括电子元件32的硅芯片上形成。
目标分子(例如非法药品(illicit drug))一般是能够仅仅结合(bind)一个捕获分子(抗体)的小分子。基于这个原因，使用禁止或竞争化验格式。存在若干可能的化验。在第一类型的化验中，目标同系分子存在于传感器表面上。这些目标同系分子与样本流体中待检测的目标分子竞争，以结合到磁性珠上存在的捕获分子。在第二类型的化验中，磁珠被涂覆或标记有目标同系物，并且所标记的珠与样本流体中待检测的目标分子竞争，以结合到传感器表面上存在的捕获分子(抗体)。为了能够检测例如5个不同的目标分子，5个不同的捕获分子需要存在于磁珠上或传感器表面上，这依赖于所使用的化验格式。而且，5个不同的目标同系物需要存在于传感器表面或磁珠上，这再次依赖于所使用的化验格式。对于小目标分子，经由受体-配体结合(例如结合到抗体)而结合到其他分子一般不是非常特定的。因此，交叉反应可能发生，或换句话说，被涂覆或标记有用于类型A的结合分子的磁珠可以结合到类型B的目标同系物。例如已经表明，将具有抗麻醉剂(抗OPI)抗体的磁珠加到具有至少一个涂覆有麻醉剂同系物(BSA-OPI配对)的传感器和一个涂覆有例如大麻同系物(BSA-THC配对)的传感器的传感器阵列将示出针对涂覆有BSA-OPI的传感器的大传感器输出，而且还可以示出针对涂覆有BSA-THC的传感器的显著的输出信号。该信号可以达到涂覆有麻醉剂同系物的传感器上的特定信号的5-10％。
为了使交叉反应量最小，可以对化验进行调整。这可以通过选择抗体和/或目标同系物的正确组合并通过优化其中发生培育(incubation)的缓冲液来完成。然而，在不同化验中，该优化是难以执行并且需要大量时间和大量知识的冗长乏味的过程。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种良好的传感器盒、一种用于制造这种传感器盒的方法和一种用于检测和/或量化样本流体中存在的至少两种不同目标基团(target moiety)的方法。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
根据本发明的实施例的传感器盒可以是可替换的或可置换的(单向)的盒。根据本发明的实施例的传感器盒允许检测相同流体样本中至少两种不同的目标基团的存在和/或确定其量，而基本没有传感器衬底表面处存在的不同目标基团与不同目标同系物的交叉反应消极地影响所得到的传感器信号。因此根据本发明的实施例的设备和方法显示出减少的交叉反应。
根据本发明的实施例的传感器盒显示出良好的灵敏度并且是可靠和有效的。
根据本发明的实施例的传感器盒和方法可以用在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中。
本发明的具体的和优选的方面在所附的独立和从属权利要求中叙述。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且也可以适当地与其他从属权利要求组合，并不仅如权利要求中明确叙述地。
在本发明的第一方面，提供传感器盒，用于确定样本流体中存在的至少两种不同目标基团的存在和/或量。该传感器盒包括：
-反应室，用于容纳样本流体，
-位于反应室中的至少第一区域和第二区域，第二区域与第一区域不同，第一区域包括标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象，且第二区域包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象，第一和第二区域中的该磁性或可磁化对象可被样本流体直接接触，以及
-至少一个用于感测磁性或可磁化对象的存在的传感器元件，
其中，该传感器盒适合用于有区别地检测至少两种不同的目标基团。
根据本发明的实施例的传感器盒的一个优点在于，它可以用于同时检测样本流体中存在的不同目标基团，而没有源自交叉反应的信号干扰传感器信号。
该传感器盒可以包括用于有选择地从反应室中至少第一和第二区域释放所标记的磁性或可磁化对象的控制装置。优选地，该控制装置可以由磁场生成装置形成，并且可以例如由至少一个电流导线形成。通过仔细操纵控制装置，可以可控地且有选择地从第一和第二区域释放磁性或可磁化对象，并且因此可以减少交叉反应发生的可能性。
根据本发明的实施例，传感器盒可以包括多个区域并且可以针对每个区域提供控制装置。
至少一个传感器元件可以位于反应室的第一侧处，并且包括磁性或可磁化对象的至少第一和第二区域可以在反应室的第二侧处形成，该第二侧优选地基本上与第一侧相对。
所述传感器盒可以包括多个区域和多个传感器元件，该多个区域包括磁性或可磁化对象。根据本发明的实施例，该区域的数量可以不同于传感器元件的数量。然而，根据本发明的其他实施例，区域的数量可以等于传感器元件的数量。
根据实施例，传感器元件可以位于平面中，并且每一个包括磁性或可磁化对象的区域可以显示出与相应的传感器元件的重叠，该重叠通过区域在基本垂直于传感器元件的平面的方向上投影到传感器元件上来限定。
根据再其他实施例，至少一个传感器元件可以位于反应室的第一侧处，而至少第一和第二区域可以在反应室的第二侧处形成，第二侧等于第一侧。
传感器盒可以包括至少第一和第二传感器元件。包括磁性或可磁化对象的第一区域可以在第一传感器元件之上形成，而包括磁性或可磁化对象的第二区域可以在第二传感器元件之上形成。
根据本发明的实施例，至少第一和第二区域中的所标记的磁性或可磁化对象可以被冻干(lyophilise)。
在根据本发明的实施例的传感器盒中，至少一个传感器元件可以位于传感器衬底中并且传感器盒还可以包括用于将所标记的磁性或可磁化对象吸引并/或结合到传感器衬底的表面的磁场生成装置。该磁场生成装置可以由线圈形成。
根据本发明的实施例，传感器盒可以是可置换的(disposable)传感器盒。
可置换盒可以适于插入到读取器设备中。该读取器设备可以包括用于以受控方式吸引并释放位于可置换传感器盒的不同区域中的磁性或可磁化对象的磁场生成装置。该磁场生成装置可以由电磁线圈形成。
在另一方面，本发明提供根据本发明的实施例的传感器盒在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的用途。
本发明还提供根据本发明实施例的传感器盒在确定唾液中存在违禁药品上的用途。
在本发明的另一方面，提供一种用于制造传感器盒的方法。该方法包括：
-提供用于容纳样本流体的反应室，
-在反应室中提供至少第一区域和第二区域，以及
-向第一区域提供标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象，并且向第二区域提供标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象，以及
-提供至少一个用于感测磁性或可磁化对象的存在的传感器元件。
根据本发明的实施例的方法的一个优点在于，样本流体中存在的不同目标基团可被同时检测，而没有源自交叉反应的信号干扰传感器信号。
根据本发明的实施例，方法还可以包括：提供用于有选择地从反应室中的至少第一和第二区域释放所标记的磁性或可磁化对象的控制装置。根据本发明的实施例，提供控制装置可以包括：向至少第一和第二区域的每一个提供控制装置。通过仔细操纵控制装置，可以可控地且有选择地从第一和第二区域释放磁性或可磁化对象，并且因此可以减少交叉反应发生的可能性。
根据本发明的实施例，传感器盒可以包括位于平面中的至少第一和第二传感器元件，并且在反应室中提供至少第一区域和第二区域可以使得第一和第二区域显示出分别与第一和第二传感器元件的重叠，该重叠通过将第一和第二区域在基本垂直于传感器元件的平面的方向上投影到传感器元件上来限定。
根据本发明的实施例，提供磁性或可磁化对象可以通过提供冻干的磁性或可磁化对象来执行。
在本发明的又另一方面，提供一种用于确定样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或量的方法，该方法包括：
-将潜在地包括至少两种不同目标基团的样本流体提供给传感器盒，该传感器盒包括用于容纳样本流体的反应室、至少一个位于传感器衬底中以用于感测磁性或可磁化对象存在的传感器元件以及位于反应室中的至少第一区域和第二区域，第二区域不同于第一区域，第一区域包括标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象，而第二区域包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象，第一和第二区域中的磁性或可磁化对象可被样本流体直接接触，
-有选择地将来自至少第一和第二区域的所标记的磁性或可磁化对象提供给至少一个传感器元件，
-借助至少一个传感器元件测量传感器信号，以及
-根据所测量的传感器信号，有区别地确定结合到传感器衬底的表面的至少两种不同目标基团的存在和/或量。
有选择地将来自至少第一和第二区域的所标记的磁性或可磁化对象提供给至少一个传感器元件可以通过有选择地从反应室中的至少第一和第二区域释放所标记的磁性或可磁化对象来实现。
根据本发明的实施例，传感器盒可以包括与它所包括的传感器元件相同数量的区域，并且传感器元件可以位于平面中。根据这些实施例，有选择地将来自至少第一和第二区域的所标记的磁性或可磁化对象提供给传感器元件可以通过每个区域与不同的传感器元件重叠来实现，该重叠通过将第一和第二区域在基本垂直于传感器元件的平面的方向上投影到传感器元件上来限定。
根据本发明的实施例，传感器盒可以包括磁性传感器元件，并且方法还可以包括：在借助所述至少一个传感器元件测量传感器信号之前，对所标记的磁性或可磁化对象进行磁化。
在又另一个方面，本发明提供根据本发明的实施例的方法在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的用途。
根据下面的详细描述结合通过实例示出本发明的原理的附图，本发明的上述和其他特性、特征和优点将变得清楚。该描述仅仅为了举例的目的而给出的，而没有限制本发明的范围。下面所引用的参考图是指附图。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的传感器盒的横截面。
图2示出根据本发明的另一个实施例的传感器盒的横截面。
图3(横截面)和图4(顶视图)示出根据本发明的实施例的传感器盒的原理。
图5示出根据本发明的实施例的传感器盒。
图6示出传感器盒(右图)、包括四个GMR元件的传感器衬底(中图)和包括一个GMR元件的传感器盒的一部分。
图7示出根据本发明的实施例的传感器盒。
图8示出带有和不带有磁性保持场的情况下珠再分散的不同时刻的图像。
图9示出已知的磁性生物传感器的原理。
在不同的图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
将针对具体实施例并参照某些附图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅仅由权利要求限定。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。所述附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大了并且没有按比例绘制。
本说明书和权利要求中使用的术语“包括”不排除其他元件或步骤。用于表示单数名词的不定冠词或定冠词(例如“一”、“这”)包括多个该名词，除非另外特别声明。
而且，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等等用于区分相似的元件，而不一定用于描述以时间上、空间上、等级或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可交换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或示出的其他顺序操作。
在本说明书中，引用的“一个实施例”或“实施例”意味着：结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必都参照相同的实施例，但是可以参照相同的实施例。而且，在一个或多个实施例中，如本领域技术人员从本公开所清楚理解的，可以通过任何适当的方式将特定特征、结构或特性组合起来。
相似地，应当理解，在本发明的示范性实施例的描述中，本发明的各种特征有时被一起组合在单个实施例、图或其描述中，以用于简化本公开并且辅助理解各个创造性方面的一个或多个的目的。然而，本公开的该方法不会被解释为反映这样的意图：要求保护的发明需要比每个权利要求中明确列举的特征更多的特征。相反地，如下面权利要求反映，创造性方面在于比单个前面公开的实施例的所有特征更少的特征。因此，跟随详细的描述的权利要求由此明确地被合并到该详细描述中，且每个权利要求独立地作为该发明的分别实施例。
而且，尽管本文所描述的一些实施例包括一些而不是包括在其他实施例中的其他特征，不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将会理解的。例如，在下面的权利要求中，要求保护的任意实施例可以以任何组合的方式被使用。
在本文所提供的描述中，提出了许多特定的细节。然而，应当理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，没有详细示出众所周知的方法、结构和技术，以避免使得该描述难以理解。
下面的术语或定义仅仅被提供用于辅助理解本发明。定义不应当被理解为其范围比本领域技术人员所理解的更小。
本发明中的术语“探针”涉及特别地结合目标基团的结合分子。本发明的上下文内所设想的探针包括生物活性基团(比如但不限于全抗体)、抗体片段(比如Fab的片段)、单链Fv、单变量域、VHH、重链抗体、肽、抗原决定基、膜受体或任何类型的受体或其一部分、衬底诱捕酶突变、全抗原分子(半抗原)或抗原片段、寡肽、寡核苷酸、模拟多肽(mimitopes)、核酸和/或其混合物，其能够有选择地结合到潜在的目标基团。抗体被制备(raise)为非蛋白质化合物以及制备为蛋白质或肽。探针典型地是免疫反应的构件或结合对的亲和反应构件。探针的性质由待检测的目标基团的性质确定。最常见地，基于与目标基团的特定相互作用开发探针，该目标基团比如但不限于：抗原-抗体结合、互补核苷酸序列、碳水化合物凝集素、互补肽序列、配体-受体、辅酶、酶抑制剂酶等。在本发明中，探针的功能是特别地与目标基团相互作用以允许它的检测。因此，探针被附着在磁性或可磁化对象(比如磁性粒子)。如果例如目标基团是蛋白质，则探针(probe)可以是反分析物抗体(anti-analyte antibody)。可替代地，如果例如目标基团是核苷酸序列，则探针可以是互补寡核苷酸序列。
在本发明的第一方面，提供一种传感器盒，用于确定样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或量。该传感器盒包括：用于容纳样本流体的反应室和位于反应室中的至少第一区域和第二区域，第二区域不同于第一区域。第一区域包括标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象，且第二区域包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象，第一和第二区域中的磁性或可磁化对象可在同一瞬间被样本流体直接接触。传感器盒还包括至少一个用于感测磁性或可磁化对象的存在的传感器元件。根据本发明，传感器盒适用于有区别地检测至少两种不同的目标基团。有区别地检测意味着：在不同位置且/或在不同时间段检测至少两种不同的目标基团。根据本发明的任意实施例的盒可以是可代替的或可置换(单向)的盒。
根据本发明的实施例的传感器盒允许检测样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或确定其量，而基本没有不同目标基团与不同目标同系物的交叉反应消极地影响所得的传感器信号。交叉反应意味着：当类型A的磁性或可磁化对象应当特别地结合到传感器衬底表面上存在的类型A的目标同系物，并且类型B的磁性或可磁化对象应当特别地结合到传感器衬底表面上存在的类型B的目标同系物时，类型A的磁性或可磁化对象也结合到类型B的目标同系物且/或反之亦然，从而导致扭曲的结果。因为根据本发明减少乃至避免了这种交叉反应，所以根据本发明的实施例的传感器盒是可靠的和有效的。
根据本发明的实施例的传感器盒可以例如用在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中，以用于例如检测并/或量化流体样本中存在的并标记有磁性和/或可磁化对象的目标基团。目标基团(或译“靶部分”)可以包括分子物种、细胞片段、病毒等等。
对磁性标记的检测可以基于它们的磁性来进行。可替代地，磁性标签可以基于其他物理属性被检测。将借助基于磁阻元件(比如作为磁性传感器元件的GMR元件)的传感器盒来进一步描述本发明。然而，这并不是为了以任何方式限制本发明。本发明可以应用于包括适用于基于粒子的任何属性检测传感器衬底表面上或者附近的磁性或可磁化对象(例如磁性粒子)的存在或确定其量的任何传感器元件的传感器盒。例如，对粒子的检测可以借助磁方法(例如磁阻传感器元件、霍尔传感器、线圈)、光学方法(例如成像荧光、化学发光、吸收、散射、表面等离子体共振、拉曼(Raman)，经由导致受抑全内反射的衰减波，...)、声音检测(例如表面声波、体声波、悬臂、石英晶体，...)、电检测(例如传导、阻抗、安培计、氧化还原循环，...)、机械检测(例如经由共振峰值的移位或表面声波的阻尼)，...本发明不限于用于检测磁性标签的任何上述检测方法，而是可以与用于磁性标签检测的任何其他方法组合使用。
根据本发明的实施例，可以通过被设计用于结合某些目标基团的涂层来修改，或者可以通过将分子(也被称为目标同系物)附着到适于结合分散在待测试样本流体中的探针涂覆的磁性标签的表面来修改传感器盒的表面。以此方式，利用这种结合分子来激活(activate)传感器盒的表面或至少其一部分，以形成特定结合部位，从而使得目标基团能够固定化。这种结合分子对技术人员来说是已知的并且可以包括蛋白质、抗体、核酸(例如DNA、RNA)、肽、寡糖或多糖或糖、小分子、激素、药、代谢物、细胞或细胞片段、组织片段，...。这种分子可以借助隔离(spacer)或链接分子附着到传感器衬底表面。传感器衬底表面上的结合部位还可以提供有有机物(例如病毒或细胞)或有机物片段(例如，组织片段、细胞片段、薄膜)形式的分子。
在样本流体中目标基团将被检测，该样本流体可以是原始样本或可以在插入到传感器设备中之前已经被处理(例如，稀释、煮解(digest)、降解、生物化学上改变、过滤、溶解到缓冲液中)。原始流体可以是例如生物流体(比如，唾液、痰、血液、血浆、细胞、细胞间液或尿)或其他流体(比如，饮用流体、环境流体或源自样本预处理的流体)。流体可以例如包括例如来自活检、大便、食物、饲料、环境样本的固体样本材料的成分。
根据本发明的实施例的传感器盒还可以包括磁场生成器。该磁场生成器可以是内部或外部磁场生成器。在后一种情况下，该磁场生成器可以位于适于插入传感器盒的读取器设备中。可替代地，该磁场生成器可以是内部磁场生成器。该磁场生成器可以例如包括至少一个导体(例如至少两个电流导线)或可以由激励线圈形成。该磁场生成器可以用于对传感器设备的反应室的第一和第二区域中的磁性或可磁化对象(例如被结合到传感器盒的传感器衬底的表面，并附着到待检测的目标基团)进行磁化。该磁性或可磁化对象优选地是磁性纳米粒子，但也可以是任何其他可以附着到目标基团的合适的可磁化对象。将进一步借助为磁性粒子的磁性或可磁化对象来描述本发明。这再次仅仅是为了容易解释，并且这没有以任何方式限制本发明。该磁性或可磁化粒子可以包括任意合适形式的一种或多种磁性粒子或可磁化粒子，例如磁性、反磁性、顺磁性、超顺磁性、铁磁性，其是在磁场中永久地或暂时地生成磁矩的磁力的任意形式。优选地，当使用永久磁铁时，使用超顺磁性粒子，因为它们的使用避免了可能的聚集问题。合适的磁性粒子材料的实例是例如Fe3O4。在大多数实施例中，磁性粒子的尺寸不是关键性的，但是，优选地，磁性粒子可以具有的最长尺寸的范围在5nm与5000nm之间，更优选地在30nm与1000nm之间，最优选地在80nm与500hm之间。
本发明适用于磁性或可磁化对象，该磁性或可磁化对象是磁性棒、磁性粒子串或复合粒子(例如含有磁性以及非磁性材料的粒子，如光学活性材料或非磁性基质内部的磁性材料)。
除非另外规定，术语磁性或可磁化粒子表示未共价地连接到探针的粒子、分子或诸如此类的材料。在本说明书中，涉及的磁性粒子的类型(例如第一、第二等类型磁性粒子)意味着：连接到或涂覆有用于特别地相应地结合到第一、第二等类型目标基团的探针类型的磁性粒子。
图1示出根据本发明的第一实施例的传感器盒10。传感器盒10包括反应室1。反应室1用于容纳待测试的样本流体，该样本流体包括至少两种不同目标基团。根据本发明，反应室1可以包括第一区域2和第二区域3，第二区域3不同于第一区域2。应当注意，本发明的范围不仅仅限于两个不同的区域。大于或等于2的任何数量的区域都在本发明的范围内。第一区域2包括第一类型磁性粒子，即标记有第一类型探针(未示出)的磁性粒子4a，该第一类型探针用于特别地将磁性粒子4a结合到第一类型目标基团并且因此用于特别地将它们结合到可以存在于传感器衬底8的表面5处的第一类型目标同系物。标记有第一类型探针的磁性粒子4a将进一步被称为第一类型磁性粒子4a。第二区域3包括第二类型磁性粒子，即标记有第二类型探针(未示出)的磁性粒子4b，该第二类型探针用于特别地将磁性粒子4b结合到第二类型目标基团并且因此用于特别地将它们结合到可以存在于传感器衬底8的表面5处的第二类型目标同系物。这些标记有第二类型探针的磁性粒子4b将进一步被称为第二类型磁性粒子4b。
说明书中所使用的术语“衬底”可以包括可以使用的或其上可以形成设备、电路或外延层的任何下层(underlying)材料。术语“衬底”可以包括半导体衬底，比如掺杂硅、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)或硅锗(SiGe)衬底。术语“衬底”可以包括例如绝缘层，比如除了半导体衬底部分的SiO2或Si3N4层。因此，术语“衬底”还包括玻璃、塑料、陶瓷、硅玻璃(silicon-on-glass)、硅蓝宝石(silicon-on-sapphire)衬底。因此，术语“衬底”一般用于定义(define)用于在所关注的层或其一部分之下的层的元件。“衬底”还可以是在其上形成层(例如玻璃或金属层)的任何其他基底。
根据这个第一实施例并且如可从图1看出的，第一和第二区域2、3并且由此第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以提供在反应室1的第一侧处，并且包括磁性传感器元件(例如GMR元件8a)的传感器衬底8可以提供在反应室1的第二侧处，第一和第二侧相对于反应室1的中心点或中心线基本上彼此相对。
第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以最优选地以冻干的形式(即例如通过在真空中冰冻被干燥)提供，并且还可以包括有机基团(moiety)，例如基质组分(matrix component)。第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b可以具有多种形态和形状。冻干法或冰冻干燥导致第一和第二类型磁性粒子4a、4b反应性降低，从而导致更长的保存期，即改进了存储属性。第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以存储在单独的接收方中或可以合并地存储在相应的传感器盒或其一部分中。示范性形状包括球形、近球形、椭圆或圆形结构。根据本发明，第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以是滴状。示范性形态包括平滑或粗糙表面。第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b可以例如具有在10μm与300μm之间的直径。第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b的尺寸分散性优选地基本上是单分散的，即在若干百分比内，优选地小于5％，甚至更优选地小于1％。第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以通过单分散性制成，从而导致第一或第二类型磁性粒子4a、4b具有基本一致的形状和尺寸。
根据本发明的实施例，有机基团(比如基质组分)可以包括一种或多种糖、一种或多种蛋白质或一种或多种聚合物。可选地，有机基团(比如基质组分)可以包括一种或多种盐。这种糖可以例如选自由多烃基化合物、单糖、二糖、寡糖和多糖所构成的组。例如，它们可以选自蔗糖、葡萄糖、海藻糖、松三糖、右旋糖苷或甘露醇等等。优选地，可以成为基质组分的一部分的一种或多种糖可以选自由多烃基化合物、二糖和寡糖所构成的组。根据一些实施例，使用海藻糖、甘露醇或其混合物。一种或多种糖的一个功能可以是形成水溶性的和相对非结晶(amorphous)的基质组分。非结晶基质组分允许比结晶的基质组分更快的溶解(参见后面)，从而使得如果生物试剂快速可用性是优选的或所要求的，则有助于提供优选的第一和第二类型磁性粒子4a、4b。使用这种第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b的优点在于，在样本流体与探针之间发生的混合比探针作为流体被传递时所发生的混合更快。另一个优点在于，无需额外的流体来实现化验。这减少了传感器盒10的成本并且减少了操作者的操纵步骤的数量。
如上所示，可选地，一种或多种盐可以是有机基团(例如基质成分)的一基团。一种或多种盐可以例如是KCl和/或NaCl。可选地，而且一种或多种蛋白质可以包括在有机基团(例如基质成分)中。可以包括到有机基团(例如基质成分)组分中的蛋白质的实例包括但不限于：牛血清蛋白(BSA)、胶质和胶原蛋白，等等。该蛋白质将稳定探针(probe)并且将对第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b的保存期具有积极的影响。
第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b可以通过以下操作形成：例如滴下在冷冻剂中分别含有第一和第二类型冻干的磁性粒子4a、4b的成分的溶液，随后冷冻干燥所获得的含有第一和第二类型磁性粒子4a、4b的冷冻球体。第一和第二类型的冻干的磁性粒子4a、4b可以通过任何合适的微沉积技术分别提供给第一和第二区域2、3，所述微沉积技术例如机械定位(在预先形成的冻干的球体的情况下)、测点定位、移液或印刷(例如，喷墨印刷)。
根据本发明的其他实施例，取代以冻干的形式实现，第一和第二类型磁性粒子4a、4b可以包括在多孔材料中，例如它形成多孔层。因此，包括第一类型磁性粒子4a的多孔层可以被提供给第一区域2，而包括第二类型磁性粒子4b的多孔层可以被提供给第二区域3。这可以通过沉积第一或第二类型磁性粒子4a、4b的层来获得，该层还包括在该层的干燥期间升华(sublime)的材料，例如，水和/或盐(比如碳酸铵)。这样所获得的多孔层可以是纳米多孔或微孔。多孔性是有利的，因为它有助于在使用传感器设备期间，改进成分的溶解，用于释放第一和第二类型磁性粒子4a、4b(参见后面)。
根据本发明的另其他实施例，一个以上的包括第一类型磁性粒子4a的层和/或一个或多个包括第二类型磁性粒子4b的层可以分别在第一区域2和第二区域3中沉积在彼此上面。
本发明不限于冻干形式的或包括在多孔层中的磁性粒子4a、4b。该磁性粒子4a、4b可以以允许长保存寿命的任何其他合适形式存在。例如，粒子可以存在于简单的干燥的糖基质中。
传感器盒10还可以包括用于将样本流体提供到反应室1的入口9和用于在执行测试之后将样本流体从反应室1移除的出口11。该出口11可以是通风孔以避免反应室中夹气。
根据本发明，传感器盒10适用于有区别地确定第一和第二类型目标基团的存在和/或量。根据本发明的该第一实施例，可以通过用于有选择地分别从第一区域2和第二区域3释放第一类型磁性粒子4a和第二类型磁性粒子4b到反应室1中的控制装置的存在来实现对第一和第二类型目标基团的存在和/或量的有区别的确定。控制装置可以被提供用于第一和第二区域2、3的每一个并且可以包括由例如电流导线形成的磁场生成装置。根据图1示出的本发明的第一实施例，第一电流导线6a可以被提供用于保持并且有选择地从第一区域2释放第一类型磁性粒子4a到反应室1，而第二电流导线6b可以被提供用于保持并且有选择地从第二区域3释放第二类型磁性粒子4b到反应室1。
根据上述实例，当在样本流体中(例如在如唾液的生物流体中)检测两种不同目标基团时，第一和第二不同类型磁性粒子4a、4b分别存在于传感器盒10的第一和第二区域2、3中或之上。第一和第二区域2、3可以是反应室1的壁内的体积，或可以是反应室1的壁上的面积。可替代地，上述区域可以是围绕传感器元件8a、8b的实际检测区域之外的传感器表面5上区域。生物流体(例如唾液)经传感器衬底8的表面5流入到反应室1中。在生物流体(例如唾液)流动期间，(例如电流导线6a、6b)通过经由这些电流导线6a、6b发送电流来启动控制装置用于将第一和第二类型磁性粒子4a、4b分别保持在反应室1中的第一和第二区域2、3处。根据本发明的实施例，当第一和第二类型磁性粒子4a、4b作为冻干的或冷冻干燥的磁性粒子4a、4b而被提供时，例如在糖基质中或以accu-球的形式(通过例如通过喷墨印刷液化氮体积中的磁性粒子溶液冷冻干燥来自大量磁性粒子溶液的小部分(aliquots)来生产的)，生物流体(例如唾液)将在与包括冻干的磁性粒子4a，4b的基质接触时溶解该基质。然而，由于控制装置的控制(例如由电流导线6a、6b生成的磁场)，第一和第二类型磁性粒子4a、4b将分别停留在第一区域2、第二区域3处。生物流体中存在的第一和第二类型目标基团随后可以特别地分别在反应室1中的第一和第二区域2、3处分别与第一和第二类型磁性粒子4a、4b反应。一段时间之后，生物流体停止流动，并且可以操纵控制装置以便分别从第一和第二区域4a、4b释放第一和第二类型磁性粒子4a、4b，例如可以切断由电流导线6a、6b生成的磁场。这可以针对第一和第二区域2、3同时进行或者顺序地进行(参见后面)。当控制装置被操纵以释放第一和第二类型磁性粒子4a、4b(例如切断通过电流导线6a、6b的电流的流动)时，可以生成另一个磁场以用于吸引在其上分别附着有第一和第二目标基团的第一和第二类型磁性粒子4a、4b，使之朝向传感器衬底表面5，在该衬底表面它们可以分别结合第一和第二类型目标同系物。用于吸引磁性粒子4a、4b使之朝向传感器衬底表面5的磁场可以由外部磁场生成装置来生成，例如由如图1所示的激励线圈7a来生成。在磁洗步骤中，另一个磁性线圈7b可以存在以在传感器衬底表面5上的磁性粒子4a、4b培育(incubation)之后实现无结合的分离，或者换句话说，以从传感器衬底表面5移除非特定的结合磁性粒子4a，4b。由激励线圈(actuation coil)7a、7b生成的磁场也可以磁化磁性粒子4a、4b。磁性粒子4a、4b由此产生磁矩。随后，该磁矩生成偶极磁场，其在传感器元件(例如集成在传感器盒10中的传感器衬底8中存在的GMR元件8a)的位置处具有平面内磁场分量。磁性粒子4a、4b被由通过激励线圈7a、7b的电流诱导的磁场所磁化，从而在传感器元件(例如GMR元件8a)的敏感的x-方向上产生磁场分量，其也被称为磁场Hext的x-分量。随后，磁场Hext的x-分量被传感器衬底8中存在的GMR元件感测，并且其幅度依赖于传感器元件8a的位置处的传感器衬底8的表面5处存在的磁性粒子4a、4b的数量。
根据另一个实施例，用于磁化磁性粒子4a、4b所需的磁场可以通过发送流过芯片上电流导线(即位于传感器衬底8上或之中的电流导线)的电流来生成，该电流导线是传感器元件8a的一部分。后一种方法的优点在于，针对磁场可以使用高调制频率(即10kHz与100kHz之间的量级，优选地为100kHz与10MHz之间的量级)，以便避免GMR传感器元件8a的大1/f的噪声分量。
可以以受控的方式完成分别从第一和第二区域2、3释放第一和第二类型磁性粒子4a、4b。因此，可以以顺序的方式来执行分别从第一和第二区域2、3释放第一和第二类型磁性粒子4a、4b。这将在下面解释。
根据本发明的实施例，传感器盒10可以包括反应室1中的多个区域2，3，其不同于传感器元件(例如传感器衬底8中的GMR元件8a)的数量。根据这些实施例，不同类型目标同系物可以被提供在每一个传感器元件(例如GMR元件8a)的位置处的传感器衬底8的表面5处。
在图1中，给出了一个实例，其中传感器盒10包括第一和第二区域2、3和一个传感器元件，例如GMR元件8a。在图1中给出的实例中，这意味着：两种不同的目标同系物可以被提供在传感器元件(例如传感器衬底8中提供的GMR元件8a)的位置处的传感器衬底表面5处，因为有两个区域2、3但是仅有一个GMR元件8a，这两个区域2、3包括第一和第二类型磁性粒子4a、4b以用于结合到第一和第二目标基团。
因此，首先，可以通过适当地操纵控制装置(例如通过切断由电流导线6a生成的磁场)来从第一区域2释放第一类型磁性粒子4a。随后，其上附着有第一目标基团的第一磁性粒子4a可以被吸引使之朝向传感器衬底表面5以结合到在传感器衬底表面5处的相应的目标同系物，并且可以借助由激励线圈7a、7b(或可替代地由芯片上的电流导线)生成的磁场来驱动。在传感器衬底表面5处，其上附着有第一类型目标基团的第一磁性粒子4a可以结合到特别地用于第一类型目标基团的第一类型目标同系物。用于代表结合到传感器衬底表面5的第一类型磁性粒子4a的量的第一传感器信号可以由GMR元件8a提供。随后，通过切断由激励线圈7a生成的磁场和/或通过接通激励线圈7b执行清洗步骤，可以将第一类型磁性粒子4a从传感器衬底表面5处移除。
在下一个步骤中，可以适当地操纵控制装置，例如切断流过电流导线6b的电流，以用于有选择地释放其上附着有第二类型目标基团的第二类型磁性粒子4b。接通激励线圈7a以用于生成磁场，该磁场用于吸引第二类型磁性粒子4b，使之朝向传感器衬底表面5，由此允许它们结合到存在于传感器衬底表面5处的第二类型目标同系物。随后，GMR元件8a的第二信号可以代表结合到传感器衬底表面5的第二类型磁性粒子4b的量。
根据其他实施例，可以适当地操纵控制装置，例如可以切断流过第二电流导线6b的电流，并且第二类型磁性粒子4b可以被吸引到传感器衬底表面5以结合到第二类型目标同系物，同时第一类型磁性粒子4a仍然被结合到传感器衬底表面5。因为相对于目标基团的预期浓度，目标同系物一般被过量地提供，所以，总会有足够的目标同系物留下以用于结合第二目标基团，即使一些第一类型磁性粒子4a已经错误地结合到第二类型目标同系物。随后，第二类型磁性粒子4b结合到传感器衬底表面5将改变传感器信号。应当注意，在将第二类型磁性粒子4b结合到传感器衬底表面5期间，在传感器衬底表面5处与第一目标同系物交叉反应还可能发生，假如不是所有的第一目标同系物已经被第一类型磁性粒子4a得到。随后，传感器信号的改变的值是结合到传感器衬底表面5的第二类型磁性粒子4b的量的度量。
根据本发明的实施例，然而，传感器盒10在反应室1中可以包括与它所包括GMR元件8a、8b，...相同数量的区域2、3，例如，当在反应室1中提供分别包括第一和第二类型磁性粒子4a、4b的第一和第二区域2、3时，根据这些实施例，第一和第二GMR元件8a和8b可以在传感器衬底8上提供(参见图2)。于是，传感器衬底表面5可以包括第一类型目标同系物以用于特别地在第一GMR元件8a的位置处结合第一类型目标基团，并且可以包括第二类型目标同系物以用于特别地在第二GMR元件8b的位置处结合第二类型目标基团。根据这些实施例，控制装置可以被适当地操纵，例如可以首先切断流过电流导线6a的电流，以用于有选择地将第一类型磁性粒子4a释放到反应室1中。当激励线圈7a被接通时，其上附着有第一类型目标基团的第一类型磁性粒子4a将被吸引，使之朝向传感器衬底表面5，并且将允许第一类型磁性粒子4a结合到第一类型目标同系物。由于该磁场，磁性粒子4a也将被磁化，并且第一GMR元件8a将提供代表结合到第一GMR元件8a的位置处的传感器衬底表面5的第一磁性粒子4a的量的传感器信号。然而，同时，第二GMR元件8b也将提供用于代表错误地或交叉反应地结合到第二GMR元件8b的位置处的传感器衬底表面5处的第二类型目标同系物的第一类型磁性粒子4a的量的传感器信号。该信号将进一步被称为第二GMR元件8b的部分(partial)信号。接下来，控制装置可以被适当地操纵，例如可以切断流过电流导线6b的电流，以用于有选择地从第二区域3释放第二类型磁性粒子4b到反应室1中。在接通激励线圈7a之后，其上附着有第二类型目标基团的第二类型磁性粒子4b被吸引，使之朝向传感器衬底表面5，在传感器衬底表面5，它们可以结合到第二GMR元件8b的位置处的第二类型目标同系物。第二GMR元件的传感器信号将根据结合到传感器衬底表面5的第二类型磁性粒子4b的量而改变。该传感器信号将被称为第二GMR元件8b的总(total)信号。第二GMR元件8b的总信号与第二GMR元件8b的部分信号之间的差异将是对结合到传感器衬底表面5的第二类型磁性粒子4b的量的度量。
根据这些实施例，交叉反应性的发生可以被测量(以顺序的方式)并且可以使用合适的算法来补偿。
应当理解，根据上述实施例，包括第一和第二区域2、3的传感器盒10仅仅是一个实例，而其意图并不是以任何方式限制本发明。根据本发明的实施例的传感器盒10的反应室1可以包括任意适当数量的区域2、3。反应室1中存在的区域的数量可以等于样本流体中存在的不同类型目标基团的数量。
而且，传感器盒10可以包括任意数量的传感器元件，例如GMR元件8a、8b。优选地，如上所述，传感器(例如GMR)元件8a、8b的数量可以等于反应室1中区域2、3的数量，并且因此等于样本流体中存在的不同类型目标基团的数量。而且，传感器盒10可以包括两个以上的控制装置，一个用于反应室1中提供的多个区域2、3中的每一个。
根据本发明的第二实施例，传感器盒10可以示出结果信号，其基本上不会由于交叉反应受到扭曲，因为根据该实施例可以通过配置传感器盒10本身来减少和/或最小化交叉反应的可能性。根据该实施例，传感器盒10可以在反应室1中包括与它包括的GMR元件8a、8b...相同数量的区域2、3。根据该第二实施例，有区别地确定第一和第二类型目标基团的存在和/或量可以通过下列事实获得：包括用于特别地结合不同类型目标基团的不同类型磁性粒子4a、4b的不同区域2、3可以基本上位于在包括用于特别地结合不同类型目标基团的不同类型目标同系物的相应GMR元件8a、8b之上。“基本上在...之上”意味着：不同区域2、3示出与相应的GMR元件8a、8b的重叠O，该重叠O通过在基本上垂直与GMR元件8a、8b的平面的方向上(当GMR元件8a、8b位于该平面中时)将区域2、3投影到相关GMR元件8a、8b上来限定。优选地，区域2、3和相应的GMR元件8a、8b之间的重叠O可以使得区域2、3的至少80％，优选地至少90％，更优选地至少95％以及最优选地100％与相应的GMR元件8a、8b重叠。图3和4中示出了第二实施例的原理，图3和图4分别示出根据本发明的当前实施例的传感器盒10的横截面和顶视图。图4的右手侧处的小正方形15指示电接触以将传感器衬底8连接到(便携式)读取器设备。
再次，在该第二实施例中并且相似于第一实施例，可以在基本与定位有GMR元件8a、8b的反应室1的侧相对的反应室1的侧上提供不同类型的磁性粒子4a、4b。而且，根据该第二实施例，与第一实施例相似，不同类型磁性粒子4a、4b可以最优选地以冻干(lyophilished)的形式提供。根据其他实施例，不同类型磁性粒子4a、4b可以在多孔层或多个多孔层中提供。
传感器盒10还可以包括用于将样本流体提供给反应室1的入口9和用于在已经执行测试之后从反应室1移除样本流体或用于当传感器盒10填充有样本流体时释放空气的出口11。
当驱动底线圈7a(该图中未示出，但是与图1和2中示出的实施例相似)时，不同类型磁性粒子4a、4b可以从它们各自的区域2、3被释放并且可以被导向传感器衬底表面5。传感器衬底表面5可以包括处于第一GMR元件8a的位置的第一类型目标同系物、处于第二GMR元件8b的位置的第二类型目标同系物...。另一个磁性线圈7b可以存在于传感器盒10的顶部(这与图1和2中示出的实施例相似)，以实现在磁性清洗步骤中在传感器衬底表面5上培育磁性粒子4a、4b之后的无结合分离，或者换句话说，以从传感器衬底表面5移除非特定地结合的磁性粒子4a、4b。
根据该第二实施例，因为远离相应的传感器元件8a、8b...扩散的磁性粒子4a、4b的数量将很小，交叉反应会降低。
磁性粒子4a、4b在某时间t内行进的平均扩散长度或距离x由下式给出：
例如，直径为例如300nm的磁性粒子可以由于布朗运动而平均行进10，5μm。
因此，优选地，针对粘度范围为1mPa的样本中的直径或尺寸为300nm的粒子，相邻的区域2、3之间的距离可以是10μm与1000μm之间，更优选地在50μm与500μm之间，且最优选地在100μm与250μm之间，以便避免第一类型磁性粒子4a结合到第GMR元件8a，且反之亦然(参见后面)。应当注意，扩散长度依赖于粒子尺寸和样本流体的粘度。例如，当使用大于300nm磁性粒子4a、4b时，扩散长度将小于如前所计算的10，5μm。
根据第二实施例，可以通过为每一个区域2、3提供控制装置来进一步减少交叉反应。如在第一实施例中所解释的，控制装置可以例如是磁场生成装置，比如电流导线。这在图5中被示出，图5示出了根据本发明的第二实施例的传感器盒10的顶视图。根据图5中给出的实例，传感器盒10可以包括四个区域2、3、12、13并且可以包括四个传感器元件(例如GMR元件8a-d)，从而使得区域2、3、12、13基本上位于相应的传感器元件(例如上述GMR元件8a-d)之上。根据该实例的传感器盒10还包括四个控制装置，在所示的实例中为电流导线6a-d，一个电流导线6a或6b或6c或6d用于区域2、3、12、13中的每一个。电流导线6a-d可以被放置在反应室1的顶盖中，该顶盖在反应室1的、与传感器侧相对的侧处，或者换句话说，与其中定位有传感器元件8a-d的反应室1侧相对的侧处。这些电流导线6a-d可以与传感器元件(例如GMR元件8a-d)对准。如第一实施例中已经讨论的且如该实施例中先前已经提及的，不同类型的磁性粒子4a、4b可以被提供在处于反应室1的、与在其中提供有传感器元件(例如GMR元件8a-d)的反应室1的侧相对的侧的区域2、3、12、13中。
应当注意，由相应于第一到第四区域2、3、12、13的电流导线6a-d的局部场梯度所引起的力必定强于由从底部施加的驱动场所引起的力，因为当从一个区域(例如区域2)释放磁性粒子4a、4b并将它们吸引到传感器衬底表面5时，对一些区域(例如区域3、12、13)中磁性粒子4a、4b进行另外地保持将是不可能的。
图6示出传感器盒10(右图)、包括四个GMR元件8a-d和四个电流导线16a-d的传感器衬底8(中图)以及包括一个GMR元件8a和一个电流导线6a的传感器衬底8的一部分。注意到，这些电流导线16a-d用于磁化磁性粒子4a、4b以用于检测。在该设计中，电流导线16a-d不是为了用于受控地释放磁性粒子4a、4b。一般地，磁性粒子保持导线6a-d位于反应室的另一侧。然而，传感器衬底8可以包括附加导线6a-d，其实现磁化粒子保持和受控的释放。在一个可能的实施例中，可以将这些导线6a-d与检测所需的激励(excitation)导线16a-d分隔开。在另一个实施例中，这些导线6a-d可以与导线16a-d相同。
根据不同的实施例，样本流体可以平行于电流导线6a-d和GMR元件8a-d流动，或者可以垂直于电流导线6a-d和GMR元件8a-d流动。根据一个实施例，流体流动可以与传感器元件8a-d以及电流导线6a-d对准。根据该实施例，可以存在与电流导线6a-d对准的子通道结构。随后，每种不同类型磁性粒子4a、4b可以被设置在流体室1中存在的子通道之一中。
在上述实施例中，用于有选择地从它们的各自的区域2、3、12、13释放不同类型的磁性粒子4a、4b的电流导线6a-d位于传感器盒10的可置换(disposable)部分内。这可能是缺点。因此，应当注意，根据本发明的实施例，用于有选择地从它们各自的区域2、3、12、13释放不同类型的磁性粒子4a、4b的磁场生成装置(例如电流导线6a-d)还可以位于非可置换的读取器设备中。
应当注意，根据其他实施例，可替代地，区域2、3、12、13可以是位于传感器元件8a-d周围的实际检测区域之外的传感器衬底表面5上的区域2、3、12、13。因此，根据这些实施例，区域2、3、12、13可以位于与在其中定位有传感器元件(例如GMR元件8a-d)的反应室1的侧相同的侧处。根据这些实施例的传感器盒10可以包括用于从区域2、3、12、13释放不同类型的磁性粒子4a、4b的控制装置，并且对不同类型的磁性粒子4a、4b的释放可以相似于如第一和第二实施例所述的对磁性粒子4a、4b的释放。
根据本发明的第三实施例，控制装置和磁场生成装置(例如电流导线)可以集成到其中定位有传感器元件(例如GMR元件8a-d)的传感器衬底8中，该传感器衬底也被称为GMR传感器晶片(die)8。根据该实施例，可以例如借助喷墨印刷将不同类型的磁性粒子4a、4b、4c、4d局部地施加在传感器元件(例如GMR元件8a-d)上或其旁边。这在图7中被示出。因此，第一类型磁性粒子4a被提供给处于第一传感器元件(例如GMR元件8a)的位置处或其旁边的传感器衬底表面5，第二类型磁性粒子4b可被提供给处于第二传感器元件(例如GMR元件8b)的位置处或其旁边的传感器衬底表面5，第三类型磁性粒子4c可被提供给处于第三传感器元件(例如GMR元件8c)的位置处或其旁边的传感器衬底表面5，第四类型磁性粒子4d可被提供给处于第四传感器元件(例如GMR元件8d)的位置处或其旁边的传感器衬底表面5，等等。因此，根据该第三实施例，第一、第二、...区域2、3、12、13可以位于与在其中定位有GMR元件8a-d的反应室1的侧相同的侧处。
根据该第三实施例，有区别地确定第一、第二、...类型目标基团的存在和/或量可以通过用于有选择地分别从第一区域2、第二区域3、...释放第一类型磁性粒子4a、第二类型磁性粒子4b、...到反应室1中的控制装置的存在来获得。这可以通过控制装置获得，例如磁场生成装置(比如电流导线)，以用于有选择地从它们各自的区域2、3、12、13释放不同类型的磁性粒子4a、4b、4c、4d。对磁性粒子4a、4b、4c、4d的有选择的释放所需的电流导线6a-d还可以用于在印刷过程的驱动。以此方式，当电流导线6a-d在施加磁性粒子4a、4b、4c、4d期间被驱动(activated)时，可以将磁性粒子4a、4b、4c、4d输送到正确的位置。释放磁性粒子4a、4b、4c、4d与随后的朝向传感器衬底表面5吸引之间的时间的范围可以是0到600秒之间，并且优选地可以是1到50秒之间。
该实施例的优点在于，它容易实现，因为导线6a-d集成在传感器晶片(例如GMR传感器晶片8)中。然而，该方法的缺点在于，磁性粒子4a、4b、4c、4d不能与全部样本体积接触。由此，来自具有所标记抗体的样本的目标基团的预培育(已经示出在药品检测的情况下其对于测试的再现性是必需的)不太有效。
根据本发明的实施例的传感器盒10和方法可以有利地用在生物化验中。生物化验中使用磁性标签是有利的，这是由于以下多种原因：
●磁性粒子4a、4b可以从干燥形态在样本流体中再分散。例如可以通过磁性地激励磁性粒子4a、4b来改进再分散。磁性粒子4a、4b在整个样本体积中的再分散加速了生物反应，因为扩散距离保持很小。
●结合到目标分子的磁性粒子4a、4b可以被吸引到传感器表面5，由此增加传感器表面5处的目标浓度。可以再次使用磁场来激励(agitate)磁性粒子4a、4b以便改进生物结合。
●没有特别地结合到传感器表面5的磁性粒子4a、4b可以通过例如经由磁场拉拽它们使之远离传感器表面5来被洗刷。可以准确地控制磁性拉拽，从而使得化验结果的变化较小。而且，它消除了对复杂的流体清洗步骤的需要。
在图8中，示出了不同时刻的磁性粒子再分散的图像。左边的图像示出当使得磁性粒子与没有施加磁性保持场的流体接触时磁性粒子的再分散(redispersion)。中间和右边的图像示出在存在根据本发明的实施例的保持场的情况下在磁性粒子再分散期间的图像。这些图示出，在没有施加保持场的情况下，磁性粒子4a-d再分散很快(即在15秒内)，而在施加了保持场的情况下，磁性粒子4a-d长时间(即至少达到27秒)保持在其初始位置。一个图像(在t＝26时，右侧第一图像)示出图像放大(zoom)，从中可以观察到磁性粒子沿着所施加的保持场的磁场线形成链。在该图中的图像证实了通过应用本发明的构思控制磁性粒子4a-d从干燥状态的再分散的可能性。
根据本发明的一个实施例的对样本流体中存在的第一和第二目标基团进行有区别地检测可以通过以下步骤来执行：
-将样本流体提供到反应室1，
-将第一类型磁性粒子4a从第一区域2释放到反应室1中，
-可选地，培育一段时间，典型地范围为10秒到600秒，从而使得第一目标基团能够结合到第一类型磁性粒子4a的抗体，
-施加磁场梯度，用于吸引其上附着有第一类型目标基团的第一类型磁性粒子4a，使之朝向传感器衬底表面5，
-培育一段时间，从而使得没有携带目标基团的磁性粒子4a能够结合到传感器衬底表面5上的第一类型目标同系物，
-通过施加适合的驱动场移除非结合的磁性粒子，
-测量代表结合到传感器衬底表面5的第一类型磁性粒子4a的量的传感器信号，
-根据传感器信号确定样本流体中存在的第一目标基团的存在和/或浓度，
-可选地，洗刷掉结合的第一类型磁性粒子4a，
-将第二类型磁性粒子4b从第二区域3释放到反应室1中，
-可选地，培育一段时间，从而使得目标基团能够耦合到第二类型磁性粒子4b上的抗体，
-施加磁场梯度，以用于吸引其上附着有第二类型目标基团的第二类型磁性粒子4b，使之朝向传感器衬底表面5，
-可选地，培育一段时间，从而使得第二类型磁性粒子4b能够结合到传感器衬底表面5上的第二目标同系物，
-洗刷掉未结合的磁性粒子4b，
-测量代表结合到传感器衬底表面5的第二类型磁性粒子4b的量的传感器信号，以及
-根据传感器信号确定样本流体中存在的第二目标基团的存在和/或浓度。
根据本发明的实施例，除了分子化验之外，还检测更大的基团(moiety)，例如细胞、病毒、或细胞或病毒的片段、组织提取液等等。可以在扫描或不扫描传感器元件8a-d的情况下相对于传感器衬底表面5进行检测。
测量数据可以被推导为终点测量，以及通过动态地或间歇地记录信号来推导。
根据本发明的实施例的传感器盒10可用以若干种生化化验类型，例如结合/非结合化验、夹层化验、竞争化验、置换化验、酶化验等等。
根据本发明的实施例的传感器盒10适合用于传感器多路复用(即，不同传感器和传感器表面的并行使用)、标签多路复用(即，不同类型的标签或磁性或可磁化对象4a、4b的并行使用)以及腔室多路复用(即，不同反应室的并行使用)。
根据本发明的实施例的盒10能够被用作迅速的、强壮的和容易使用医疗点的、用于小样本体积的生物传感器。反应室可以是与紧凑型读取器一起使用的可置换物件，其含有一个或多个磁场生成装置和一个或多个检测装置。而且，根据本发明的实施例的传感器盒10能够在自动的高吞吐量测试中使用。在这种情况下，反应室可以例如是安装到自动仪器中的适当的板(plate)或试管(cuvette)。
在其中可以使用根据本发明的实施例的传感器盒10的特定实例是，用于检测唾液中的违禁药物。例如，传感器盒10可以用在交通(traffic)中(类似于呼吸控制测试)并且必须能够在例如1分钟内验证信号唾液样本中高达5种药品的存在。为此目的，清楚的是，该测试应当是可靠的并且易于使用。
应当理解，虽然本文已经针对根据本发明的设备讨论了优选实施例、特定构造和配置以及材料，但是可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下对形式和细节进行各种改变或修改。
Claims (27)
1.一种用于确定样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或量的传感器盒(10)，该传感器盒(10)包括：
-反应室(1)，用于容纳样本流体，
-位于反应室(1)中的至少第一区域(2)和第二区域(3)，第二区域(3)不同于第一区域(2)，第一区域(2)包括标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象，且第二区域(3)包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象，第一和第二区域(2，3)中的该磁性或可磁化对象可被样本流体直接接触，以及
-至少一个用于感测磁性或可磁化对象(4a，4b)的存在的传感器元件(8a)，
其中，该传感器盒(10)适合用于有区别地检测至少两种不同的目标基团。
2.根据权利要求2的传感器盒(10)，其中，传感器盒(10)包括用于有选择地从反应室(1)中至少第一和第二区域(2，3)释放所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)的控制装置(6a-d)。
3.根据权利要求2的传感器盒(10)，其中，该控制装置(6a-d)由磁场生成装置形成。
4.根据权利要求3的传感器盒(10)，其中，该磁场生成装置由至少一个电流导线形成。
5.根据权利要求2-4中任一项的传感器盒(10)，传感器盒(10)包括多个区域(2，3，12，13)，其中，针对每个区域(2，3，12，13)提供控制装置(6a-d)。
6.根据权利要求2-5中任一项的传感器盒(10)，至少一个传感器元件(8a)位于反应室(1)的第一侧处，其中，至少第一和第二区域(2，3，12，13)形成在反应室(1)的第二侧处，该第二侧基本上与第一侧相对。
7.根据权利要求2-6中任一项的传感器盒(10)，传感器盒(10)包括多个区域(2，3，12，13)和多个传感器元件(8a，8b)，其中，区域(2，3，12，13)的数量不同于传感器元件(8a，8b)的数量。
8.根据权利要求2-6中任一项的传感器盒(10)，传感器盒(10)包括多个区域(2，3，12，13)和多个传感器元件(8a-d)，其中，区域(2，3，12，13)的数量等于传感器元件(8a-d)的数量。
9.根据权利要求8的传感器盒(10)，传感器元件(8a，8b)位于平面中，其中，所述多个区域(2，3)中的每一个显示出与相应的传感器元件(8a，8b)的重叠(O)，该重叠(0)通过将区域(2，3)在基本垂直于传感器元件(8a，8b)的平面的方向上投影到传感器元件(8a，8b)上来限定。
10.根据权利要求1-5中任一项的传感器盒(10)，至少一个传感器元件(8a)位于反应室(1)的第一侧处，其中，至少第一和第二区域(2，3，12，13)在反应室(1)的第二侧处形成，第二侧等于第一侧。
11.根据权利要求10的传感器盒(10)，传感器盒(10)包括至少第一和第二传感器元件(8a，8b)，其中，第一区域在第一传感器元件(8a)上形成，而第二区域在第二传感器元件(8b)上形成。
12.根据前述任一权利要求的传感器盒(10)，其中，至少第一和第二区域(2，3)中所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)被冻干。
13.根据前述任一权利要求的传感器盒(10)，其中，传感器盒(10)是可置换的传感器盒。
14.根据权利要求13的传感器盒(10)，可置换的传感器盒(10)适于插入到读取器设备中，该读取器设备包括用于以受控方式吸引并释放位于可置换的传感器盒(10)的不同区域(2，3)中的磁性或可磁化对象(4a，4b)的磁场生成装置。
15.根据权利要求14的传感器盒(10)，其中，该磁场生成装置由电磁线圈形成。
16.根据权利要求1-15中任一项的传感器盒(10)在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的使用。
17.根据权利要求1-15中任一项的传感器盒(10)在确定唾液中存在违禁药物的使用。
18.用于制造传感器盒(10)的方法，该方法包括：
-提供用于容纳样本流体的反应室(1)，
-在反应室(1)中提供至少第一区域(2)和第二区域(3)，以及
-向第一区域(2)提供标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象(4a，4b)，并且向第二区域(3)提供标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象(4a，4b)，以及
-提供至少一个用于感测磁性或可磁化对象(4a，4b)的存在的传感器元件(8a)。
19.根据权利要求18的方法，其中，该方法还包括：提供用于有选择地从反应室(1)中的至少第一和第二区域(2，3)释放所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)的控制装置(6a-d)。
20.根据权利要求19的方法，其中，提供控制装置(6a-d)包括：对至少第一和第二区域(2，3)的每一个提供控制装置(6a-d)。
21.根据权利要求18-20中任一项的方法，传感器盒(10)包括位于平面中的至少第一和第二传感器元件(8a，8b)，其中，在反应室(1)中提供至少第一区域(2)和第二区域(3)使得第一和第二区域(2，3)显示出分别与第一和第二传感器元件(8a，8b)的重叠(O)，该重叠(O)通过将第一和第二区域(2，3)在基本垂直于传感器元件(8a，8b)的平面的方向上投影到传感器元件(8a，8b)上来限定。
22.根据权利要求18-21中任一项的方法，其中，提供磁性或可磁化对象(4a，4b)通过提供冻干的磁性或可磁化对象来执行。
23.用于确定样本流体中至少两种不同目标基团的存在和/或量的方法，该方法包括：
-提供包括至少两种不同目标基团的样本流体给传感器盒(10)，该传感器盒包括用于容纳样本流体的反应室(1)、至少一个位于传感器衬底(8)中以用于感测磁性或可磁化对象(4a，4b)的存在的传感器元件(8a)以及位于反应室(1)中的至少第一区域(2)和第二区域(3)，第二区域(3)不同于第一区域(2)，第一区域(2)包括标记有用于特别地结合第一类型目标基团的第一类型探针的磁性或可磁化对象(4a)，而第二区域(3)包括标记有用于特别地结合第二类型目标基团的第二类型探针的磁性或可磁化对象(4b)，第一和第二区域(2，3)中的磁性或可磁化对象(4a，4b)可被样本流体直接接触，
-有选择地将来自至少第一和第二区域(2，3)的所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)提供给至少一个传感器元件(8a)，
-借助于至少一个传感器元件(8a)测量传感器信号，以及
-根据所测量的传感器信号，有区别地确定结合到传感器衬底(8)的表面(5)的至少两种不同目标基团的存在和/或量。
24.根据权利要求23的方法，其中，有选择地将来自至少第一和第二区域(2，3)的所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)提供给至少一个传感器元件(8a)是通过有选择地从反应室(1)中的至少第一和第二区域(2，3)释放所标记的磁性或可磁化的对象(4a，4b)来实现。
25.根据权利要求23的方法，传感器盒(10)包括与它所包括的传感器元件(8a，8b)相同数量的区域(2，3)，且传感器元件(8a，8b)位于平面中，其中，有选择地将来自至少第一和第二区域(2，3)的所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)提供给传感器元件(8a，8b)是通过每个区域(2，3)具有与不同的传感器元件(8a，8b)的重叠(O)的来实现，该重叠(O)通过将第一和第二区域(2，3)在基本垂直于传感器元件(8a，8b)的平面的方向上投影到传感器元件(8a，8b)上来限定。
26.根据权利要求23-25中任一项的方法，传感器盒(10)包括磁性传感器元件，其中，方法还包括：在借助至少一个传感器元件(8a)测量传感器信号之前，对所标记的磁性或可磁化对象(4a，4b)进行磁化。
27.根据权利要求23-26中任一项的方法在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的使用。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20101124 |